1. 主從模式

RS-485上的軟件層協議ModBus主要依賴于主從模式。主從模式是指在半雙工通訊方式上，2個或者2個以上的設備組成的通訊系統中：

(1) 至少且只有一個主機，其他的都是從機
(2) 不管任何時候，從機都不能主動向主機發送數據
(3) 主機具有訪問從機的權限，從機不可以主動訪問從機，任何一次數據交換，都要由主機發起
(4)不管是主機還是從機，系統一旦上電，都要把自己置于接收狀態(或者稱為監聽狀態)
主從機的數據交互，需要：
a. 主機將自己轉為發送狀態
b. 主機按照預先約定的格式發出尋址數據幀。
所謂的約定，可是主機開發者和從機開發者約定好的規約，好，例如主機要通過從機控制接在從機的電機，主機要啟動電機就往從機發0x1，停止電機就往從機發0x2。這就是一種預
先約定好的格式，但是這樣做，互換性、兼容性、通用性差，例如其他公司是約定發送0x03讓電機轉動，發0x04讓電機停止。導致不同廠家的主機、從機不能相互通訊。用戶需要的，就像網絡操作，只要接入有網的網線那么計算機都能上網。
所以說，我們需要一種大家都共同遵循的規則(可以是ModBus，也可以是TCP/IP等上層協議)，這種大家認可，共同遵循的軟件層協議。軟件層協議主要是解決如何解析傳輸的數據，即傳輸的目的或者更加可靠的傳輸數據。
半雙工通訊中，都是主機尋找從機，主機的目的無非有: 主機要發數據給從機，或者主機要從從機中獲取數據。
c. 主機恢復自身的接收狀態
主機等待自身所尋址的從機作回應，也就是說從機接收到主機的尋址命令、數據后一定要回應主機，不然主機會認為從機通訊異常。回應數據包也是要按照ModBus協議規約(其實不局限ModBus，像TCP/IP也需要回應是吧！~)

2. ModBus通訊協議

通俗點來講，ModBus規約了起停電機，主機要分別發送什么命令給從機。ModBus規定主從機之間數據的交互，需要遵循什么樣的格式，如何保證數據在傳輸過程中不發生沖突。只要都遵循這個協議，那么不同廠家的主從機就可以共用了。
ModBus一般是工作在一主多從的場景，還是這個圖：

主機和從機之間的連線不一定是非要485來作為載體，也可以是IIC，SPI。因為ModBus是軟件層的協議，它既可以規約485硬件接線方式，也可以規約其他硬件接線方式。很多資料會寫”基于RS-485的ModBus通訊協議”，意思是底層的0、1數據是通過RS-485方式去傳輸的，0、1的意義則是通過ModBus去解析的。強調，硬件協議可以確保數據得以傳輸出去，軟件協議保障數據的有序傳輸，數據不會發生沖突。
ModBus規定：
(1) 主從模式
有的協議規定是多主模式，意思是系統中的設備都是主機，它們并沒有主從之分，任何時刻，誰想發送數據都可以往總線上發送，例如網絡通信、CAN總線通訊，自然它們自有一套防止數據沖突機制，485由于不具備沖突檢測的硬件機制，所以它必須遵循主從模式。主從模式的原則是，整個系統只能有一個主機，每一個從機都必須有一個唯一的地址
(2) 從機的地址是作為每個從機的唯一標識。地址取值是0-247，0號地址表示廣播地址，廣播地址由主機保留，當主機向0號地址發數據包的時候，每一個從機設備都會收到數據包。也就是說，當主機發出的尋址幀的地址是0的時候，所有從機都要執行主機要求的動作。按理說，從機收到主機的尋址幀之后，是要做出應答包的，但是現在是0號地址，也就是要回的話每臺從機都要回，那么肯定會造成RS-485通訊線上的數據混亂，因此所有從機在主機發0號地址時候不予返回數據包應答。
從機的地址有兩個作用
a. 主機向目標從機發尋址幀時其地址部分為從機地址，這樣主機才可以檢索到目標從機
b. 對于主機的目標從機，當收到主機發來的非0地址時，要做出數據包應答，假設從機要返回數據包給主機，自然是要把數據包放到RS-485總線上，因為每臺從機，其物理連線是在一起的，所以這就會造成其他從機認為數據是要發送給它的現象，所以在從機回復主機的數據包中，加上從機自身的地址，那么其他從機讀取到這個地址值跟自己的地址不相同，就不會去響應了。
(3) ModBus數據包的格式
主機要尋找某臺從機，需要發出相應格式的信息，這就需要談到ModBus的兩種傳輸方式:
a. RTU傳輸方式
RTU實際上也成為二進制方式。假設主機要發送0x23，那就是發送0010 0011，按照485通訊協議，先發高位，即1100 0100。前后分別加上起始、停止位: “起始位 1100 0100 停止位”共10位數據
b. ASC傳輸方式
同樣要發送0x23，它是十六進制數，會將其拆成十位的’2’和個位的’3’，將它們的asc碼依次發出去，’0’的asc碼是0x32，’3’的asc是0x33，轉為二進制為0011 0010和0011 0011，同樣要加上停止、起始位，共20位數據
很明顯，asc傳輸方式比較低，但是由于它傳輸的是asc碼，所以可以利用一些串口終端將其數值打印出來。

特別提醒，RS-485硬件協議決定，對于每一個字節數據的傳輸是先發高位，再發地位，所以假設數組u8型數組revArr[2]存放著接收到的數據，那么接收端解析數據應該是u16型data = revArr[0] * 256 + revArr[1]。

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在工業控制、電力通訊、智能儀表等領域，通常情況下是采用串口通信的方式進行數據交換。最初采用的方式是RS232接口，由于工業現場比較復雜，各種電氣設備會在環境中產生比較多的電磁干擾，會導致信號傳輸錯誤。除此之外，RS232接口只能實現點對點通信，不具備聯網功能，最大傳輸距離也只能達到幾十米，不能滿足遠距離通信要求。

而RS485則解決了這些問題，數據信號采用差分傳輸方式，可以有效的解決共模干擾問題，最大距離可以到1200米，并且允許多個收發設備接到同一條總線上。隨著工業應用通信越來越多，1979年施耐德電氣制定了一個用于工業現場的總線協議Modbus協議，現在工業中使用RS485通信場合很多都采用Modbus協議，所以今天我們來了解下RS485通信和Modbus通信協議。

【RS485通信】

實際上在RS485之前RS232就已經誕生，但是RS232有幾處不足的地方：

1、接口的信號電平值較高，達到十幾V，容易損壞接口電路的芯片，而且和TTL電平不兼容，因此和單片機電路接起來的話必須加轉換電路。

2、傳輸速率有局限，不可以過高，一般到幾十Kb/s就到極限了。

3、接口使用信號線和GND與其他設備形成共地模式的通信，這種共地模式傳輸容易產生干擾，并且抗干擾性能也比較弱。

4、傳輸距離有限，最多只能通信幾十米。

5、通信的時候只能兩點之間進行通信，不能夠實現多機聯網通信。

針對RS232接口的不足，就不斷出現了一些新的接口標準，RS485就是其中之一，他具備以下的特點：

1.邏輯“1”以兩線間的電壓差為+（2—6）V表示；邏輯“0”以兩線間的電壓差為-（2—6）V表示。接口信號電平比RS232C降低了，就不易損壞電路的芯片，且該電平與TTL電平兼容，可方便與TTL電路連接。

2.RS485通信速度快，數據最高傳輸速率為10Mbps以上

3.RS485內部的物理結構，采用的是平衡驅動器和查分接收器的組合，抗干擾能力大大增加。

4.傳輸速率最遠可達到1200米左右，但是他的傳輸速率和傳輸距離是成反比的，只有在100KB/s以下的傳輸速率，才能達到最大的通信距離，如果需要傳輸更遠距離可以使用中繼。

5.可以在總線上進行聯網實現多機通信，總線上允許掛多個收發器，從現有的RS485芯片來看，有可以掛32、64、128、256等不同個設備的驅動器。

RS-485采用平衡發送和差分接收，因此具有抑制共模干擾的能力。RS-485采用半雙工工作方式，任何時候只能有一點處于發送狀態，因此，發送電路須由使能信號加以控制。RS-485用于多點互連時非常方便，可以省掉許多信號線。應用RS-485可以聯網構成分布式系統，其允許最多并聯32臺驅動器和32臺接收器。在RS232或RS485設備聯成的設備網中，如果設備數量超過2臺，就必須使用RS485做通訊介質，RS485網的設備間要想互通信息只有通過“主（Master）”設備中轉才能實現，這個主設備通常是PC，而這種設備網中只允許存在一個主設備，其余全部是從（Slave）設備。

RS485有兩線制和四線制兩種接線，四線制只能實現點對點的通信方式，現很少采用，現在多采用的是兩線制接線方式，這種接線方式為總線式拓樸結構在同一總線上最多可以掛接32個結點。在RS485通信網絡中一般采用的是主從通信方式，即一個主機帶多個從機。很多情況下，連接RS-485通信鏈路時只是簡單地用一對雙絞線將各個接口的“A”、“B”端連接起來。而忽略了信號地的連接，這種連接方法在許多場合是能正常工作的，但卻埋下了很大的隱患，這有二個原因：

(1)共模干擾問題：RS-485接口采用差分方式傳輸信號方式，并不需要相對于某個參照點來檢測信號，系統只需檢測兩線之間的電位差就可以了。但人們往往忽視了收發器有一定的共模電壓范圍，RS-485收發器共模電壓范圍為-7～+12V，只有滿足上述條件，整個網絡才能正常工作。當網絡線路中共模電壓超出此范圍時就會影響通信的穩定可靠，甚至損壞接口。

(2)EMI問題：發送驅動器輸出信號中的共模部分需要一個返回通路，如沒有一個低阻的返回通道（信號地），就會以輻射的形式返回源端，整個總線就會像一個巨大的天線向外輻射電磁波。由于PC機默認的只帶有RS232接口，有兩種方法可以得到PC上位機的RS485電路：（1）通過RS232/RS485轉換電路將PC機串口RS232信號轉換成RS485信號，對于情況比較復雜的工業環境最好是選用防浪涌帶隔離珊的產品。（2）通過PCI多串口卡，可以直接選用輸出信號為RS485類型的擴展卡。

【Modbus通信協議】

Modbus協議是應用于電子控制器上的一種通用語言。通過此協議，控制器相互之間、控制器經由網絡(例如以太網)和其它設備之間可以通信。它已經成為一通用工業標準。有了它，不同廠商生產的控制設備可以連成工業網絡，進行集中監控。此協議定義了一個控制器能認識使用的消息結構，而不管它們是經過何種網絡進行通信的。它描述了一控制器請求訪問其它設備的過程，如何回應來自其它設備的請求，以及怎樣偵測錯誤并記錄。它制定了消息域格局和內容的公共格式。

Modbus具有以下幾個特點:

(1)標準、開放，用戶可以免費、放心地使用Modbus協議，不需要交納許可證費，也不會侵犯知識產權。目前，支持Modbus的廠家超過400家，支持Modbus的產品超過600種。

(2)Modbus可以支持多種電氣接口，如RS-232、RS-485等，還可以在各種介質上傳送，如雙絞線、光纖、無線等。

(3)Modbus的幀格式簡單、緊湊，通俗易懂。用戶使用容易，廠商開發簡單。

R【TU協議幀數據】

Modbus有兩種通信傳輸方式，一種是ASCII模式，一種是RTU模式。由于ASCII模式的數據字節是7bit數據位，51單片機無法實現，而且應用也相對較少，所以這里我們只用RTU模式。兩種模式相似，會用一種另外一種也就會了。一條典型的RTU數據幀如圖所示。

和我們實用串口通信程序類似，我們一次發送的數據幀必須是作為一個連續的數據流進行傳輸。我們在實用串口通信程序中采用的方法是定義30ms，如果接收到的數據超過了30ms還沒有接收到下一個字節，我們就認為這次的數據結束。而Modbus的RTU模式規定不同數據幀之間的間隔是3.5個字節通信時間以上。如果在一幀數據完成之前有超過3.5個字節時間的停頓，接收設備將刷新當前的消息并假定下一個字節是一個新的數據幀的開始。同樣的，如果一個新消息在小于3.5個字節時間內接著前邊一個數據開始的，接收的設備將會認為它是前一幀數據的延續。這將會導致一個錯誤，因此大家看RTU數據幀最后還有16bit的CRC校驗。

起始位和結束符：前后都至少有3.5個字節的時間間隔，起始位和結束符實際上沒有任何數據，T1-T2-T3-T4代表的是時間間隔3.5個字節以上的時間，而真正有意義的第一個字節是設備地址。

設備地址：在多機通信的時候，數據那么多，我們依靠什么判斷這個數據幀是哪個設備的呢？沒錯，就是依靠這個設備地址字節。每個設備都有一個自己的地址，當設備接收到一幀數據后，程序首先對設備地址字節進行判斷比較，如果與自己的地址不同，則對這幀數據直接不予理會，如果如果與自己的地址相同，就要對這幀數據進行解析，按照之后的功能碼執行相應的功能。如果地址是0x00，則認為是一個廣播命令，就是所有的從機設備都要執行的指令。

功能代碼：在第二個字節功能代碼字節中，Modbus規定了部分功能代碼，此外也保留了一部分功能代碼作為備用或者用戶自定義，這些功能碼大家不需要去記憶，甚至都不用去看，直到你有用到的那天再過來查這個表格即可。

CRC校驗：CRC校驗是一種數據算法，是用來校驗數據對錯的。CRC校驗函數把一幀數據除最后兩個字節外，前邊所有的字節進行特定的算法計算，計算完后生成了一個16bit的數據，作為CRC校驗碼，添加在一幀數據的最后。接收方接收到數據后，同樣會把前邊的字節進行CRC計算，計算完了再和發過來的CRC的16bit的數據進行比較，如果相同則認為數據正常，沒有出錯，如果比較不相同，則說明數據在傳輸中發生了錯誤，這幀數據將被丟棄，就像沒收到一樣，而發送方會在得不到回應后做相應的處理錯誤處理。

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總結

以上是生活随笔為你收集整理的RS485通信和Modbus通信协议汇总的全部內容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。

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